PL 223062 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 223062 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 403372 (51) Int.Cl. G01V 1/16 (2006.01) G01V 1/18 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 29.03.2013 (54) Zespół podpowierzchniowej aplikacji w gruncie czujnika geofizycznego, zwłaszcza geofonu ze szpilką aplikacyjną (43) Zgłoszenie ogłoszono: 13.10.2014 BUP 21/14 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.2016 WUP 10/16 (73) Uprawniony z patentu: AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL (72) Twórca(y) wynalazku: WOJCIECH GÓRECKI, Kraków, PL TOMASZ MAĆKOWSKI, Bochnia, PL GRZEGORZ PUTYNKOWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Elżbieta Postołek
2 PL 223 062 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest zespół podpowierzchniowej aplikacji w gruncie czujnika geofizycznego, zwłaszcza geofonu ze szpilką aplikacyjną ale również innych czujników, przykładowo magnetotellurycznych. Zespół stosowany jest w operacjach przestrzennego rozpoznania wgłębnej budowy geologicznej, tomografii sejsmicznej, poszukiwawczej, rozeznaniu i nadzorze formacji podziemnych w budownictwie, górnictwie, także w archeologii. Powszechnie znane geofony ze szpilką aplikacyjną stosowane są najczęściej jako czujniki manualnie wciskane w powierzchnię gruntu, z zadaniem przejmowania drgań podłoża wywołanych emisją źródła wzbudzenia fali sejsmicznej, która dociera do geofonu w wyniku propagacji i odbić fali od warstw geologicznych, zróżnicowanych impedancją akustyczną. Dla zwiększenia dokładności pomiaru i ograniczenia zakłóceń powierzchniowych, korzystną jest pod powierzchniowa na głębokości od 0,5 do 2,0 m zabudowa geofonu, w wykopie lub wywierconym otworze, w którego dno wciśnięty jest geofon i następnie przysypany zagęszczoną warstwą gruntu. Istotnym warunkiem dokładności pomiaru jest sztywność sprzężenia obudowy geofonu z górotworem. Znane jest rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym US 5124956, w którym drgania fali sejsmicznej przenoszone są przez prętowy aplikator do geofonu zamocowanego na wystającym ponad poziom gruntu górnym końcu aplikatora. Aplikator ma długość większą od głębokość otworu w gruncie i dolnym końcem, zakończonym grotem zagłębiany jest w dnie otworu w celu przejęcia rzeczywistych drgań gruntu. Stopień zwarcia aplikatora z gruntem wspomagany jest mechanicznie przez zamocowane nad grotem, na pobocznicy pręta płaskie sprężyny wygięte łukiem na zewnątrz, względnie w innym wykonaniu grotem w postaci stożkowego wiertła. W kolejnym przykładzie wykonania tego wynalazku pręt aplikatora przystosowanego do wbijania w grunt ma ponad grotem człon obciążnika, wypełniony przykładowo ołowiem i mający średnicę zewnętrzną równą średnicy pręta. Znane są również rozwiązania mechaniczne poprawiające sprzężenie aplikatora z gruntem poprzez zastosowanie ruchomego elementu, jednostronnie dociskającego obudowę z geofonami do powierzchni wywierconego otworu. Przykładowo, rozwiązania takie przedstawione są w opisach wynalazków PL158759 i PL154219. W niektórych warunkach gruntowych stosowane jest również zalewanie zaprawą szczeliny między geofonem a powierzchnią otworu wywierconego w gruncie. Pomiar wymagający aplikowania w bardzo wielu punktach dużej ilości czujników geofizycznych stanowi, że pracochłonność i koszty oprzyrządowania przy tworzeniu i odzyskiwaniu sieci pomiarowej często użytkowanej przez okres wielu lat jest bardzo istotnym problemem techniczno-ekonomicznym. Jednocześnie dotychczasowo znane rozwiązania nie w pełni zabezpieczają czujnik przed uszkodzeniem podczas czynności montażowych. Podobnie jak w powyżej opisanych rozwiązaniach zespół podpowierzchniowej aplikacji czujnika geofizycznego zawiera aplikator połączony z wkładem czujnikowym. Aplikator o długości większej od głębokości otworu w gruncie ma na dolnym końcu rozłącznie zamocowany grot. Istota wynalazku polega na tym, że aplikator ma rurową obudowę a wewnątrz grota wykonane jest współosiowe gniazdo ukształtowane przynajmniej na części długości w obrotową powierzchnię rozwartą do góry o zasadniczo stożkowym kształcie. W wkład czujnikowy ma rdzeń, wykonany z materiału o niskiej gęstości i dużej sztywności, zwłaszcza z tworzywa polimerowego. Powierzchnia zewnętrzna rdzenia ma kształt ściśle przylegający do powierzchni gniazda, ponad to w rdzeniu są współosiowo zamocowane; czujnik geofizyczny i dolny koniec rury przewodowej. Na górnym końcu rurowej obudowy zamocowana jest głowica z kołnierzem zewnętrznym, który przystosowany jest do mocowania pokrywy montażowej (5) lub pokrywy właściwej. W pokrywie właściwej wykonany jest otwór z uszczelnieniem, przez które przeprowadzony jest górny koniec rury przewodowej. Pod pojęciem zasadniczo stożkowego kształtu powierzchni gniazda rozumie się również podobne obrotowo zbieżne bryły o pobocznicy mającej także profil krzywoliniowy, przykładowo paraboliczny. Oczywistym warunkiem przylgowej współpracy między gniazdem i rdzeniem jest zakres kątów poza samohamownością ich połączenia. Korzystnym jest, gdy na pokrywie właściwej zabudowany jest element blokujący rurę przewodową w poosiowym położeniu przylegania rdzenia do gniazda. Sztywne połączenie uzyskane przy poosiowym ustaleniu wkładu czujnikowego względem aplikatora eliminuje błędy pomiaru wynikające z bezwładności. Również korzystnym jest, gdy obudowa aplikatora stanowi rurę stożkową skierowaną większą średnicą w stronę głowicy, co istotnie zwiększa stopień utwierdzenia obudowy w gruncie.
PL 223 062 B1 3 Dalsze usprawnienie wynalazku polega na tym, że rdzeń podzielony jest w płaszczyźnie symetrii czujnika geofizycznego na dwie części, połączone rozłącznie co umożliwia łatwą wymianę w sytuacji uszkodzenia czujnika. Kolejne rozwinięcie rozwiązania polega na nadaniu rdzeniowi kształtu połączonych podstawami: bryły o zasadniczo stożkowej pobocznicy oraz walca, którego średnica jest luźno tolerowana ze średnicą sąsiadującej powierzchni gniazda. W efekcie ułatwioną jest czynność wprowadzania rdzenia wkładu czujnikowego do gniazda aplikatora. Zespół aplikacyjny według wynalazku w wyniku osadzania czujnika geofizycznego w gnieździe wciśniętego uprzednio w grunt aplikatora zapewnia prostą technologicznie i bezuszkodzeniową aplikację. Rozwiązanie wykorzystuje handlowo dostępne czujniki geofizyczne bez konieczności ingerowania w ich konstrukcję, a odpowiednio dobrane kształty i materiały elementów zapewniają dobrą przewodność fali sejsmicznej przy zachowaniu wymaganej wytrzymałości i korozyjnej odporności. Rozwiązanie zespołu według wynalazku przybliżone jest opisem przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, przystosowanego do odbioru fali sejsmicznej akustycznej, z zabudowanym w rdzeniu handlowo dostępnym geofonem firmy Geometrics. Na fig. 1 przedstawiony jest zespół aplikacyjny w ujęciu schematycznym, natomiast na fig. 2 i 3 pokazane są schematy technologiczne kolejnych czynności przy osadzaniu i usuwaniu zespołu z podłoża gruntowego. Zespół aplikacyjny składa się z aplikatora A mającego postać rurowego, smukłego pala wciskanego do otworu w gruncie i mającego długość L większą od głębokości l otworu, oraz z wkładu czujnikowego C, poosiowo wsuwanego i rozłącznie osadzanego wewnątrz aplikatora A. Pal aplikatora A wyposażony jest na dolnym końcu w grot 1 wewnątrz którego znajduje się współosiowe gniazdo 2 z ukształtowaną przynajmniej na części długości obrotową powierzchnią rozwartą do góry, mającą paraboliczną pobocznicę. Grot 1 połączony jest przez wykonaną z kompozytu rurową obudowę 3 z głowicą 4, mającą kołnierz zewnętrzny przystosowany do mocowania pokrywy montażowej 5 lub pokrywy właściwej 6, przykładowo przez szybkozłączne zapięcie modułowe, bagnetowe. Wkład czujnikowy C ma zamocowany na dolnym końcu odlewany z tworzywa polimerowego rdzeń 3, którego powierzchnia zewnętrzna ma kształt ściśle przylegający do powierzchni gniazda 2. W rdzeniu 8 zalane są w położeniu współosiowym: w pobliżu wierzchołka geofon 9 oraz w strefie górnej dolny koniec rury przewodowej 10. Rdzeń 8 podzielony jest w płaszczyźnie symetrii geofonu 9 na dwie części, połączone rozłącznie śrubami 12. W opisywanym, przykładowym wykonaniu wynalazku, bryła rdzenia 8 ma kształt połączonych podstawami: bryły paraboliczno-stożkowej oraz walca, którego średnica jest luźno tolerowana ze średnicą sąsiadującej na jego wysokości powierzchni gniazda 2. Górny koniec rury przewodowej 10 przeprowadzony jest przez uszczelnienie 11 w otworze pokrywy właściwej 6. Na pokrywie właściwej 6 zabudowany jest element blokujący 12 rurę przewodową 10 w poosiowym położeniu przylegania rdzenia 8 do gniazda 2. Przez wnętrze rury przewodowej 10 prowadzone są przewody sygnałowe geofonu, włączone w układ sieci pomiarowej. Przedstawiony na fig. 2 schemat obrazuje kolejność czynności aplikacyjnych przy stosowaniu zespołu według wynalazku. Na schemacie wrysowany został aplikator A o stożkowo w dół zbieżnej rurowej obudowie 3, czego efektem jest lepsze sprzężenie obudowy z gruntem, ale również wymagana jest większa siła przy wciskaniu aplikatora. Przy pomocy samojezdnej wiertni z osprzętem udaru hydraulicznego, w wymaganym punkcie pomiarowym wykonywany jest obrotowym, ciągłym ślimakiem otwór w gruncie z końcowym usunięciem na zewnątrz zwierconego materiału fig. 2a,b,c. Następnie do wywierconego otworu zostaje wsunięty aplikator A z zamocowaną na kołnierzu jego głowicy 4 pokrywą montażową 5 fig. 2d. Kolejną czynnością jest wciskanie w grunt aplikatora A przez oddziaływanie gniazdem siłownika hydraulicznego wiertni na pokrywę montażową 5 fig. 2e. Po zdjęciu pokrywy montażowej 5, do przestrzeni wewnętrznej aplikatora A zostaje poosiowo wprowadzany wkład czujnikowy C aż do położenia oparcia się rdzenia 8 o gniazdo 2 fig. 2f. Czynnością kończącą aplikację jest nałożenie pokrywy właściwej 6 na górny koniec rury przewodowej 10 i zablokowanie śrubowym elementem blokującym 7 wkładu czujnikowego C względem aplikatora fig. 2g. Po zakończeniu pomiarów, w celu odzysku zespołu aplikacyjnego wykonywane są czynności w kolejności i o skutku odwrotnym do powyżej opisanych, co w sposób oczywisty wynika ze schematu fig. 3a do e.
4 PL 223 062 B1 Zastrzeżenia patentowe 1. Zespół podpowierzchniowej aplikacji w gruncie czujnika geofizycznego, zwłaszcza geofonu, zawierający aplikator (A) z zamocowanym rozłącznie na dolnym końcu grotem (1) oraz sztywno połączony z wkładem czujnikowym (C), ponad to mający długość (L) większą od głębokości (l) otworu w gruncie, znamienny tym, że aplikator (A) ma rurową obudowę (3) a wewnątrz grota (1) wykonane jest współosiowe gniazdo (2) ukształtowane przynajmniej na części długości w obrotową powierzchnię rozwartą do góry o zasadniczo stożkowym kształcie, natomiast wkład czujnikowy (C) ma rdzeń (8), wykonany z materiału o niskiej gęstości i dużej sztywności, zwłaszcza z tworzywa polimerowego, którego powierzchnia zewnętrzna ma kształt ściśle przylegający do powierzchni gniazda (2), ponad to w rdzeniu (8) znajdują się współosiowo zamocowane: czujnik geofizyczny (9) i dolny koniec rury przewodowej (10), przy czym na górnym końcu rurowej obudowy (3) zamocowana jest głowica (4) z kołnierzem zewnętrznym przystosowanym do mocowania pokrywy montażowej (5) lub pokrywy właściwej (6), która ma otwór z uszczelnieniem (11), przez które przeprowadzony jest górny koniec rury przewodowej (10). 2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że na pokrywie właściwej (6) zabudowany jest element blokujący (12) rurę przewodową (10) w poosiowym położeniu przylegania rdzenia (8) do gniazda (2). 3. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że rurowa obudowa (3) aplikatora (A) ma kształt stożka, większą średnicą skierowanego w stronę głowicy (4). 4. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (8) podzielony jest w płaszczyźnie symetrii czujnika geofizycznego (9) na dwie części, połączone rozłącznie (12). 5. Zespół według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że bryła rdzenia (8) ma kształt połączonych podstawami: bryły o zasadniczo stożkowej pobocznicy oraz walca, którego średnica jest luźno tolerowana ze średnicą sąsiadującej powierzchni gniazda (2).
PL 223 062 B1 5 Rysunki
6 PL 223 062 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)